ANALIZA ODDZIAŁYWANIA NA OTOCZENIE DRGAŃ WZBUDZANYCH PRZEZ ROBOTY STRZAŁOWE Z ZASTOSOWANIEM METODY MATCHING PURSUIT

(1)

im. Stanisława Staszica

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Górnictwa Odkrywkowego

Rozprawa doktorska

ANALIZA ODDZIAŁYWANIA NA OTOCZENIE DRGAŃ WZBUDZANYCH PRZEZ ROBOTY STRZAŁOWE Z ZASTOSOWANIEM METODY MATCHING PURSUIT

mgr inż. Anna Sołtys

Promotor

dr hab. inż. Paweł Batko prof.nadzw.AGH

- Kraków 2011 –

(2)

Panu Prof. dr hab. inż. Pawłowi Batko

serdecznie dziękuję za zainteresowanie

tematem, życzliwość i pomoc okazane

podczas realizacji niniejszej pracy

(3)

Spis treści

1. Wprowadzenie 3

1.1. Uwagi ogólne o zastosowaniu materiałów wybuchowych i oddziaływaniu drgań parasejsmicznych na otoczenie

3 1.2. Uzasadnienie wyboru tematu 7

1.3. Teza i cel pracy 9

2. Oddziaływanie robót strzałowych na otoczenie 10

2.1. Uregulowania prawne 10

2.2. Specyfika robót strzałowych w górnictwie i robotach inżynierskich 12

2.2.1. Roboty strzałowe w górnictwie podziemnym 12

2.2.2. Roboty strzałowe w górnictwie odkrywkowym 15 2.2.3. Roboty strzałowe w pracach makroniwelacyjnych 20 2.2.4. Roboty strzałowe w pracach wyburzeniowych 21 3. Wyznaczanie dopuszczalnych ładunków MW do robót strzałowych 24

4. Ocena oddziaływania robót strzałowych na otoczenie 32

4.1. Normatywy stosowane w wybranych krajach 33

4.2. Skale stosowane w Polsce 42

4.3. Stosowanie skal SWD do oceny wpływu drgań na obiekty budowlane 50 5. Zapis cyfrowy drgań jako sygnał zmienności parametru w czasie – analiza sygnałów 63

5.1. Analiza w dziedzinie czasu 64

5.2. Transformacja Fouriera (FT) - Fourier Transform 65

5.3. Filtracja sygnału czasowego – analiza tercjowa 67

5.4. Krótkoczasowa transformacja Fouriera (STFT) – Short - Time Fourier Trans- form

68 5.5. Transformacja falkowa – Wavelet Transform 69

5.6. Transformacja Wignera – Ville’a (WVT) 72

5.7. Algorytm Matching Pursuit (MP) – algorytm dopasowania krokowego 72 6. Pomiary terenowe intensywności drgań i analiza ich wyników 81

6.1. Aparatura pomiarowa 81

6.2. Zastosowane programy komputerowe 84

7. Zastosowanie metody MP do analizy intensywności drgań wzbudzanych w otocze-

niu robót strzałowych 88

7.1. Porównanie wyników analizy zdarzenia sejsmicznego z zastosowaniem róż- nych metod analizy sygnałów

88

(4)

7.2. Porównanie wyników analizy drgań wzbudzanych detonacją ładunków MW w różnych miejscach wyrobiska górniczego

103 7.3. Porównanie wyników analizy drgań podłoża i obiektu chronionego 105 7.4. Porównanie wyników analizy drgań wzbudzanych odpalaniem ładunków MW

z różnym opóźnieniem milisekundowym

109 7.5. Analiza intensywności drgań wzbudzanych w czasie prowadzenia robót inży- nierskich z użyciem MW

122 8. Ocena oddziaływania robót strzałowych na obiekty budowlane z zastosowaniem metody MP

127 8.1. Ocena oddziaływania drgań wzbudzonych wyburzeniem komina 136 8.2. Ocena oddziaływania drgań wzbudzonych robotami inżynierskimi z użyciem

MW

139 8.3. Ocena oddziaływania drgań wzbudzonych wstrząsem w kopalni podziemnej 144 8.4. Ocena oddziaływania drgań wzbudzonych robotami strzałowymi w kopalni

wapienia

149 8.5. Ocena oddziaływania drgań wzbudzonych robotami strzałowymi w kopalni

wapienia i margla

153 9. Wnioski końcowe 158

Literatura 161

Spis rysunków 165

Spis tabel 171

Załączniki (płyta CD w załączeniu)

(5)

1. Wprowadzenie

1.1. Uwagi ogólne o zastosowaniu materiałów wybuchowych i oddzia- ływaniu drgań parasejsmicznych na otoczenie

Materiały wybuchowe znajdują zastosowanie w wojskowości i w użytku cywilnym.

W użytku cywilnym wykorzystywane są przede wszystkim w takich gałęziach jak: górnictwo, budownictwo, drogownictwo, a także w robotach poszukiwawczych geofizycznych.

Detonacja ładunków MW jest źródłem intensywnych drgań parasejsmicznych. Drgania te mogą być przyczyną uszkodzeń budynków lub innych obiektów infrastruktury w otoczeniu wykonywanych robót, a także mogą być uciążliwe dla przebywających w nich ludzi.

Wzrastający popyt na surowce skalne, w związku z rozwojem budownictwa i drogownic- twa, powoduje coraz większą intensyfikację robót strzałowych w przemyśle wydobywczym, a to z kolei jest związane ze stosowaniem coraz większych ładunków MW. Skutkiem tego, coraz częściej jest konieczne podejmowanie działań profilaktycznych w sąsiedztwie wyko- nywanych robót strzałowych. Problem dokumentowania i oceny oddziaływania drgań od ta- kich robót na otoczenie występuje również w przypadku gdy wytyczone trasy nowych auto- strad i dróg publicznych przebiegają w bezpośrednim sąsiedztwie zabudowań mieszkalnych, a także innych obiektów wymagających ochrony.

Ostatnio, na szeroką skalę, roboty strzałowe przy użyciu materiałów wybuchowych są wy- korzystywane przy rewitalizacji terenów przemysłowych. Umiejętna i bezpieczna rozbiórka obiektów przemysłowych i zastosowanie maksymy Primum non nocere w tym przypadku jest jak najbardziej na miejscu. Przywracanie funkcjonalności terenom zdegradowanym jest pięk- ną formą budowania. I tutaj użycie materiału wybuchowego pozwala na przeprowadzenie czasem bardzo niebezpiecznych robót rozbiórkowych w sposób szybki i wysoce efektywny.

Zapewnienie bezpieczeństwa obiektów podlegających działaniu drgań parasejsmicznych, rozchodzących się w podłożu gruntowym i przekazywanych na obiekty, a także ograniczenie uciążliwości tych drgań dla ludzi (poniżej progu dyskomfortu), od szeregu lat jest przedmio- tem badań mających na celu stworzenie bazy naukowej i procedur pozwalających na bez- pieczne wykonywanie robót z użyciem materiałów wybuchowych. Badania te obejmują swo- im zakresem budowę geologiczną miejsca wykonywania robót strzałowych i podłoża propa- gującego drgania, technikę prowadzenia robót strzałowych, prognozę oraz rzeczywisty po- ziom drgań, zagadnienie interakcji budynek-podłoże, monitorowanie i dokumentowanie od- działywania na obiekty. Wymieniony niezbędny zakres badań dotyczy ochrony środowiska przed nadmiernymi wibracjami.

Bardzo ważnym elementem tych badań jest ocena oddziaływania drgań na obiekty. Prawo

ochrony środowiska [61] oraz Prawo geologiczne i górnicze [63] i Rozporządzenia wykonaw-

cze [np. 46] nakładają na podmiot prowadzący roboty z użyciem MW, obowiązek ochrony

otoczenia przed skutkami prowadzonych robót. Dotyczy to również negatywnego wpływu

(6)

drgań wzbudzanych robotami strzałowymi, na obiekty budowlane. Przy skutecznym użyciu MW zawsze będą wzbudzane drgania propagowane w otoczenie miejsca wykonywania robót.

W tej kwestii nie można mieć złudzeń. Jednak nie wszystkie drgania rozchodzące się w oto- czeniu i przekazywane do obiektów, są szkodliwe i uciążliwe dla ludzi w nich przebywają- cych.

Minimalizacja oddziaływania jest osiągana przez działania profilaktyczne, które opierają się przede wszystkim na znajomości technologii prowadzonych robót strzałowych, jak rów- nież coraz dokładniejszym rozpoznaniu charakteru rozprzestrzeniających się wokół drgań, z jednoczesną oceną ich oddziaływania na obiekty w sąsiedztwie. Obiekty będące w zasięgu drgań propagowanych na skutek odpalania ładunków MW, traktuje się jako obiekty chronio- ne. Stosowanie właściwej, a więc skutecznej profilaktyki musi wynikać z ujęcia zagadnienia jako przyczyna – skutek. Chodzi o wyjaśnienie, czy występujące uszkodzenia w danym bu- dynku (lub kilku budynkach), są wynikiem prowadzonych robót z użyciem MW, a niekiedy również o stwierdzenie, czy drgania budynku są uciążliwe dla ludzi. Powyższe wyraża ogólny tok postępowania w diagnozie dynamicznej. W postępowaniu diagnostycznym niezbędne są następujące etapy [25]:

rozpoznanie charakteru zabudowy (zinwentaryzowanie stanu technicznego) w sąsiedztwie miejsca wykonywania robót,

rozpoznanie źródeł drgań, uwzględniające warunki prowadzenia robót oraz drogę propaga- cji drgań od źródeł do obiektów,

ocena oddziaływania robót strzałowych na obiekty (i ewentualna ocena ich uciążliwości dla ludzi),

właściwa diagnoza stwierdzająca, czy istnieje związek skutkowo – przyczynowy między stwierdzonym stanem technicznym przedmiotowych budynków, a drganiami wzbudzany- mi detonacją MW,

przy wydłużonym w czasie cyklu robót - ewentualny monitoring drgań.

W większości przypadków wystarczającym sposobem oceny szkodliwości drgań przeka- zywanych przez podłoże do obiektów budowlanych, jest wykorzystanie odpowiednich skal.

Pierwsze skale powstały w związku z oceną skutków trzęsień ziemi, czyli naturalnych działań sejsmicznych. Mimo prowadzenia szeregu prac mających na celu dostosowanie tych skal do oceny oddziaływania wstrząsów pochodzenia górniczego, nie uzyskano zadawalających wy- ników, co jest spowodowane istotnymi różnicami w charakterystyce wzbudzanych drgań [72].

Jeszcze większe różnice występują w przypadku drgań wzbudzanych w czasie robót prowa- dzonych z użyciem materiałów wybuchowych. Użycie MW przykładowo w procesie eksploa- tacji surowców skalnych jest przyczyną propagowania drgań w środowisku skalnym, o sto- sunkowo wysokich częstotliwościach i krótkim czasie trwania. Właśnie te dwa parametry częstotliwość i czas trwania, związane ze źródłem drgań, mogą być podstawą do wyraźnego rozdzielenia zjawisk związanych z trzęsieniami ziemi, wstrząsami górniczymi i drganiami wzbudzanymi użyciem MW w kopalniach i robotach inżynierskich.

Dlatego też można wyróżnić:

1. Fale sejsmiczne spowodowane trzęsieniami ziemi – charakteryzujące się niskimi często-

tliwościami, długim czasem trwania i bardzo rozległym zasięgiem,

(7)

2. Wstrząsy górnicze, jako efekt gwałtownego odprężenia skał wskutek prowadzonej działal- ności górniczej – charakteryzujące się częstotliwościami właściwymi dla danego regionu eksploatacji (np. Górnośląskie Zagłębie Węglowe (GZW), Legnicko-Głogowski Okręg Miedziowy (LGOM)), czasem trwania nawet do 20 i więcej sekund, ale o zasięgu ograni- czonym do kilku, czasem kilkudziesięciu kilometrów,

3. Drgania wzbudzane detonacją materiału wybuchowego – charakteryzujące się wyższymi częstotliwościami (nawet do 100 Hz), o czasie trwania od jednej do kilku sekund i bardzo ograniczonym zasięgiem oddziaływania (od kilkuset metrów do kilku kilometrów),

4. Drgania wzbudzane upadkiem dużych mas na podłoże w czasie robót wyburzeniowych, o częstotliwościach najczęściej niskich, charakterystycznych dla lokalnego podłoża i ogra- niczonym zasięgiem do kilkuset metrów,

5. Drgania wzbudzane pracą maszyn i ruchem komunikacyjnym – charakteryzujące się wy- sokimi częstotliwościami, niekiedy bardzo długim czasem trwania (obciążenia ciągłe) i bardzo ograniczonym zasięgiem, praktycznie do kilkunastu metrów.

Przykładowe zapisy dla poszczególnych rodzajów drgań przedstawiono na rysunku 1.1 – dane pozyskano z archiwum Laboratorium Robót Strzałowych i Ochrony Środowiska AGH (LRSiOŚ AGH).

0 1000 2000 3000 4000 5000

-0.8 0.0 0.8

0 4000 8000 12000

-5 0 5

0 400 800 1200 1600

-4 0 4

prędkość drgań, mm/s

0 4000 8000 12000 16000

-20 0 20

0 4000 8000 12000 16000

czas, ms -0.4

0.0 0.4

trzęsienie ziemii

wstrząs w kopalni podziemnej

roboty strzałowe w kopalni odkrywkowej

wyburzenie komina przy użyciu MW

przejazd pociągu

Rys. 1.1. Przykładowe sejsmogramy dla poszczególnych rodzajów drgań (archiw. LRSiOŚ AGH)

Przytoczone na rysunku 1.1 przykłady drgań wskazują, jak różne mogą być oddziaływania

na obiekty chronione, w zależności od charakteru źródła – zarówno intensywność, częstotli-

wości, jak i czas trwania, zmieniają się w istotny sposób. Ocena szkodliwości drgań wymaga

jednoznacznego wskazania przyczyny występujących szkód w obiektach chronionych. Wska-

(8)

zanie przyczyny to wskazanie i opisanie źródła drgań. Tymczasem niejednokrotnie trudno jest wskazać źródło drgań, gdyż mogą w jednym obiekcie, występować jednocześnie drgania wzbudzane różnymi przyczynami. Przykładowo, są rejony, w których mogą się nakładać od- działywania wstrząsów w kopalniach podziemnych, z oddziaływaniem robót strzałowych prowadzonych w kopalniach odkrywkowych. Przypadek taki został przedstawiony na rysunku 1.2, gdzie pokazano zapis drgań rejestrowanych w jednym budynku, w czasie wstrząsu w kopalni podziemnej i od robót strzałowych w kopalni odkrywkowej. W czasie wykonywa- nia pomiarów oddziaływania drgań od robót strzałowych, w kopalni podziemnej nastąpił wstrząs, który został zarejestrowany przez aparaturę pomiarową (zdarzenia wystąpiły w od- stępie 2 minut).

0 1000 2000 3000 4000

czas, ms -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

wstrząs w kopalni podziemnej użycie MW w kopalni dolomitu

0 4 8 12 16 20 24

częstotliwość, Hz 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

moduł wartości wyjściowych FFT

Analiza FFT

Rys. 1.2. Porównanie efektu sejsmicznego wzbudzonego w czasie wstrząsu w kopalni podziemnej i strzelania w kopalni odkrywkowej – pomiar w tym samym budynku (archiw. LRSiOŚ AGH) Dla tego przypadku zapis i analiza drgań wskazują na wiele cech wspólnych – zbliżona częstotliwość, wartość maksymalna prędkości, a jednocześnie widać wyraźnie, że oddziały- wanie tych dwóch zdarzeń jest istotnie różne – wyraźna różnica w czasie trwania drgań, wy-

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

1,26 1,58 2,00 2,51 3,16 3,98 5,01 6,31 7,94 10,00 12,59 15,85 19,95 25,12 31,62 39,81 50,12 63,10 79,43 100,00

prędkośd drgao, mm/s

częstotliwośd, Hz

analiza tercjowa

(9)

nik analizy widmowej FFT i filtracyjnej wskazują na zdecydowanie większą energię drgań wzbudzonych wstrząsem w kopalni podziemnej.

Zastosowanie takich samych kryteriów do oceny oddziaływania tak różnych zjawisk jest praktycznie niemożliwe, dlatego też coraz częściej spotyka się działania zmierzające do opra- cowania wytycznych do oceny oddziaływania drgań na budowle, ale z wyraźnym wskaza- niem źródła pochodzenia. Dobrym przykładem tego typu działań są opracowane, przez Głów- ny Instytut Górnictwa, skale GSI [15] do oceny oddziaływania wstrząsów górniczych na tere- nie GZW i LGOM, jak również opracowane przez Bureau of Mines (USA), skale dotyczące oddziaływania robót strzałowych prowadzonych w kopalniach odkrywkowych węgla i kopal- niach surowców skalnych [52].

W przypadku skal GSI, do oceny wprowadzono czas trwania drgań, czyli ocena oddziały- wania jest uzależniona od czasu zawartego pomiędzy tymi momentami czasowymi, kiedy intensywność Ariasa osiąga 5% i 95% swojej wartości, a więc praktycznie wprowadzono ocenę z uwzględnieniem energii drgań (skale GSI zostały omówione w rozdziale 4). Dla drgań o czasie trwania powyżej 6 sekund, dopuszczalne wartości prędkości są zdecydowanie mniejsze (rys. 1.3).

0 2 4 6 8 10 12 14

czas trwania drgań tHv , s 0

10 20 30 40 50 60 70 80

maksymalna wypadkowa amplituda prędkości drgań poziomych PGVH max , mm/s

granica I granica II granica III

stopień 0 stopień I stopień II stopień III

Rys. 1.3. Skala GSI-2004-V

1.2. Uzasadnienie wyboru tematu

Drgania parasejsmiczne wzbudzane detonacją materiału wybuchowego należą do grupy sygnałów o charakterze niestacjonarnym, a więc ich struktura jest zmienna, składająca się z całego szeregu składowych harmonicznych, co powoduje, że próba analizy oddziaływania tego typu drgań na otoczenie jest procesem skomplikowanym, wymagającym uwzględnienia wielu czynników mogących mieć wpływ na stopień intensywności drgań oraz znalezienia najlepszego rozwiązania umożliwiającego dokładne poznanie istoty drgań propagowanych do otoczenia.

Dotychczas, stosowanych jest kilka metod analizy takich sygnałów, które w większym

bądź mniejszym stopniu oddają charakter drgań wzbudzanych przez roboty strzałowe, mogą-

cych mieć szkodliwy wpływ na otoczenie.

(10)

Metoda amplitudowa

Stosowanie tej metody daje niewiele informacji o strukturze drgań, ponieważ do analizy wybierany jest tylko taki fragment przebiegu czasowego, w którym występuje maksymalna amplituda prędkości drgań. Do niej przypisana zostaje, na podstawie odczytu z sejsmogramu, częstotliwość będąca odwrotnością okresu sygnału czasowego w analizowanym fragmencie.

Zastosowanie takiego rozwiązania do analizy sygnałów niestacjonarnych, charakteryzują- cych się dużą zmiennością, jest niewłaściwe. Powiązanie wybranej wartości prędkości drgań, z sygnału o charakterze złożonym, z przyporządkowaną jej częstotliwością odczytaną z sej- smogramu, może być bardzo mylące.

Metoda analizy tercjowej

W przypadku tej metody, zarejestrowany sygnał poddawany jest filtrowaniu z zastosowa- niem filtrów tercjowych, co oznacza, że jedne częstotliwości zostają przez filtr przepuszczo- ne, a inne nie. W efekcie możliwa jest czasowa analiza sygnałów w danym zakresie często- tliwości, czyli maksymalnym wartościom prędkości drgań zostają przyporządkowane często- tliwości środkowe zestawu filtrów.

Niestety, takie podejście powoduje „uśrednianie częstotliwości”, co oznacza, że częstotli- wość środkowa, do której przypisano szczytową wartość prędkości przebiegu czasowego, będzie traktowana jako ta, która skupia energię sygnału z całego pasma częstotliwościowego.

Może to spowodować błędną interpretację wyników, gdyż nie ma pewności, że to właśnie częstotliwość środkowa jest tą najbardziej dominującą w badanym sygnale.

Metoda analizy widma

W metodzie tej wykorzystuje się transformatę Fouriera, dającą dokładne informacje na te- mat składu częstotliwościowego badanego sygnału, czego nie umożliwia analiza tercjowa.

Poważnym mankamentem tej metody jest brak możliwości zlokalizowania wyodrębnio- nych częstotliwości w czasie, tzn. uzyskuje się informacje o częstotliwościach biorących udział w budowie danego sygnału, ale tracone są informacje o czasie wystąpienia poszczegól- nych częstotliwości.

Przeprowadzenie oceny oddziaływania drgań parasejsmicznych wzbudzanych przez roboty

strzałowe, wymaga zastosowania znacznie bardziej elastycznych analiz propagowanych

drgań, które dadzą informacje zarówno o charakterystyce czasowej, jak i częstotliwościowej

rejestrowanych sygnałów. W niniejszej pracy zostanie przedstawiona metodyka najnowszej

analizy czasowo – częstotliwościowej, eliminującej niedostatki analiz dotychczas stosowa-

nych.

(11)

1.3. Teza i cel pracy

W oparciu o analizę zagadnień wchodzących w zakres tematu pracy, sformułowano nastę- pującą tezę i cel pracy.

TEZA

Zastosowanie metody Matching Pursuit do analizy intensywności drgań, równocześnie w dziedzinie czasu i częstotliwości, umożliwia uzyskanie nowych jakościowo danych do cha- rakteryzowania propagacji drgań pochodzących od robót strzałowych, a w konsekwencji na wiarygodniejszą prognozę ich oddziaływania w otoczeniu.

CEL PRACY

Poprzez porównanie, dla konkretnych zarejestrowanych drgań, analiz przeprowadzonych

różnymi metodami, celem pracy jest wykazanie przydatności metody Matching Pursuit do

oceny oddziaływania robót strzałowych i przykładowych innych drgań, na otoczenie. Ponad-

to, celem jest również wykazanie, że poprzez uwzględnienie w analizie tą metodą zmian czę-

stotliwości w czasie, możliwe jest opracowywanie znacznie głębszych i bardziej wiarygod-

nych prognoz w tym zakresie.

(12)

2. Oddziaływanie robót strzałowych na otoczenie

2.1. Uregulowania prawne

Eksploatacja kopalin, czy to metodą odkrywkową, czy podziemną, a w szczególności pro- wadzona z użyciem materiałów wybuchowych (MW), wiąże się z określonym oddziaływa- niem na środowisko. Również roboty inżynierskie, takie jak niwelacje terenów czy wyburza- nie obiektów, uwzględniające stosowanie materiałów wybuchowych, mogą mieć wpływ na otoczenie. Aby uniknąć sytuacji spornych na tle wystąpienia ewentualnych szkód od robót strzałowych, przed przystąpieniem do realizacji wyżej wymienionych zadań, wymagane jest przeprowadzenie oceny oddziaływania danego przedsięwzięcia na środowisko, zgodnie z ob- owiązującymi normatywami.

Podstawowymi aktami prawnymi regulującymi te zagadnienia, są:

1. Prawo ochrony środowiska [61],

2. Ustawa z dnia 3 października 2008r., o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko [62],

3. Prawo geologiczne i górnicze [63], 4. Prawo budowlane [64],

oraz rozporządzenia wykonawcze.

Ustawa [62] określa zasady przeprowadzenia oceny oddziaływania na środowisko:

a) planowanych przedsięwzięć mogących zawsze znacząco oddziaływać na środowisko, oraz

b) planowanych przedsięwzięć mogących potencjalnie znacząco oddziaływać na środowi- sko.

Przeprowadzenie oceny oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko jest obowiązkowym etapem postępowania w sprawie wydania decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach, i wiąże się z koniecznością sporządzenia raportu o oddziaływaniu przedsięwzięcia na środo- wisko. Wykonanie tego raportu, zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 9 listo- pada 2004r., w sprawie określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko oraz szczegółowych uwarunkowań związanych z kwalifikowaniem przedsię- wzięcia do sporządzenia raportu o oddziaływaniu na środowisko [48], jest niezbędne dla prowadzenia działalności górniczej związanej m.in. z poszukiwaniem lub rozpoznawaniem złóż kopalin połączonej z robotami geologicznymi wykonywanymi z zastosowaniem MW, jak również z wydobywaniem kopalin ze złoża metodą odkrywkową, na powierzchni obszaru górniczego nie mniejszej niż 25 ha.

Decyzja o środowiskowych uwarunkowaniach wydawana jest, zanim zakład górniczy uzy-

ska koncesję na wydobywanie kopalin, co oznacza, że w koncesji muszą być podane warunki

prowadzenia działalności górniczej, z zachowaniem wymogów ochrony środowiska.

(13)

Zgodnie z ustawą z dnia 4 lutego 1994r. – Prawo geologiczne i górnicze [63], koncesja na wydobywanie kopalin powinna określać m.in.:

- przestrzeń, w granicach której ma być prowadzona działalność, jak również

- inne wymagania dotyczące wykonywania działalności objętej koncesją, szczególnie w zakresie bezpieczeństwa powszechnego i ochrony środowiska, a ponadto

- granice obszaru i terenu górniczego, które wyznaczane są przez organ koncesyjny w uzgodnieniu z Prezesem Wyższego Urzędu Górniczego.

Szczególnie istotny jest teren górniczy, który obejmuje przewidywane wpływy prowa- dzonej eksploatacji na otoczenie. Jeżeli zasięg rzeczywistych wpływów robót górniczych przekroczy granice terenu górniczego określonego w koncesji, to decyzja co do tych gra- nic zostaje zmieniona przez organ koncesyjny, poprzez zmianę warunków określonych w koncesji.

Górnicze roboty eksploatacyjne wykonywane są bardzo często z użyciem materiałów wy- buchowych. W związku z tak prowadzoną działalnością, wzbudzane są drgania parasejsmicz- ne mogące szkodliwie wpływać na otoczenie.

Wytyczne, co do wyznaczania wielkości strefy szkodliwych drgań parasejsmicznych okre- śla Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 1 kwietnia 2003r., w sprawie przechowywania i używania środków strzałowych i sprzętu strzałowego w zakładach górniczych [46]. Zgodnie z Rozporządzeniem, wielkość promienia strefy szko- dliwych drgań sejsmicznych, przy wykonywaniu robót strzałowych w otworach pionowych lub odchylonych od pionu, przy dwóch płaszczyznach odsłonięcia calizny, wyznacza się we- dług zależności (2.1), przy czym rzeczywisty zasięg szkodliwych drgań parasejsmicznych określa rzeczoznawca.

(2.1)

gdzie:

r_s – odległość od miejsca wykonywania robót strzałowych do chronionego obiektu, m,

Q_z – maksymalny ładunek MW przypadający na stopień opóźnienia przy stosowaniu zapalników milisekundowych lub ładunek całkowity MW, który odpalany jest natychmiastowo, kg,

- współczynnik uwzględniający rodzaj podłoża pod obiektem chronionym.

c – prędkość podłużnej fali sejsmicznej, charakterystyczna dla podłoża obiektu chronionego.

współczynnik wynosi:

- przy c < 2 000 m/s = 0,019 – 0,015 - przy c = 2 001 – 3 000 m/s = 0,025 – 0,020 - przy c > 3 000 m/s = 0,030 – 0,026

W odniesieniu do działalności związanej z wyburzaniem obiektów budowlanych przy uży- ciu materiałów wybuchowych, stosuje się odpowiednio przepisy ustawy z dnia 7 lipca 1994r – Prawo budowlane [64] oraz Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003r., w sprawie rozbiórek obiektów budowlanych wykonywanych metodą wybuchową [47].

Jednym ze skutków stosowania MW do robót związanych z rozbiórką obiektów budowla-

nych są, podobnie jak w przypadku robót strzałowych prowadzonych w górnictwie, drgania

parasejsmiczne. Do tego problemu odnosi się Rozporządzenie [47], w którym określone zo-

stało pojęcie strefy zagrożenia falą parasejsmiczną, jako obszaru zaburzeń gruntu spowodo-

(14)

wanych m.in. działaniem materiału wybuchowego, co w konsekwencji może być przyczyną szkodliwych drgań obiektów zlokalizowanych w sąsiedztwie wyburzanego obiektu.

Na podstawie art. 72 ust. 2, Ustawy [64], szczegółowe zasady przeprowadzania rozbiórek obiektów budowlanych z użyciem materiałów wybuchowych określa minister właściwy do spraw budownictwa, gospodarki przestrzennej i mieszkaniowej. W odniesieniu do art. 72, w Rozporządzeniu [47] jest wyraźnie podkreślone, że roboty strzałowe prowadzone w związ- ku z rozbiórką obiektów budowlanych nie mogą stanowić zagrożenia dla otoczenia wyburza- nego obiektu i powodować niekorzystnych i trwałych zmian w środowisku naturalnym.

W związku z tym, projekt i wykonawstwo robót strzałowych musi uwzględniać wpływ deto- nacji ładunków MW, spowodowany szczególnie drganiami parasejsmicznymi.

Projektując roboty wyburzeniowe z użyciem MW sporządza się m.in. dokumentację strza- łową i w niej określa między innymi możliwe zagrożenia wynikające z oddziaływania drgań parasejsmicznych wzbudzanych detonacją ładunków MW, lub upadkiem dużej masy na pod- łoże, jak również sposoby likwidacji bądź ograniczenia wpływów drgań oraz środki zapobie- gawcze.

W przypadku robót związanych z wykonywaniem niwelacji terenu, z zastosowaniem materia- łów wybuchowych, np. pod budowę drogi, nie ma odpowiednich normatywów regulujących tego typu przedsięwzięcia, również pod względem ich oddziaływania na środowisko. Droga traktowana jest wtedy jako budowla i wówczas stosowane są przepisy prawa budowlanego, a w konsekwencji wytyczne, co do prowadzenia rozbiórek metodą wybuchową określone w Rozporządzeniu [47].

2.2. Specyfika robót strzałowych w górnictwie i robotach inżynierskich

Materiały wybuchowe w zastosowaniach cywilnych używane są przede wszystkim pod- czas wykonywania robót strzałowych urabiających caliznę skalną w górnictwie podziemnym i odkrywkowym, w czasie robót strzałowych przy profilowaniu wykopów w pracach drogo- wych, przy budowie tuneli oraz robót strzałowych przy wyburzaniu obiektów budowlanych, konstrukcji żelbetowych i stalowych. Prace te różnią się między sobą w sposób zasadniczy, zarówno co do masy stosowanych ładunków MW, jak i technologii wykonywania robót.

W efekcie również oddziaływanie tych robót na otoczenie jest istotnie różne.

2.2.1. Roboty strzałowe w górnictwie podziemnym

Roboty strzałowe w górnictwie podziemnym prowadzone są w profilach zamkniętych (wy-

robiska korytarzowe, chodnikowe, komorowe) ładunkami MW o masie rzędu kilku do kilku-

dziesięciu, a czasem nawet do kilkuset kilogramów. Przykładowy schemat odpalanych otwo-

rów przy drążeniu upadowej przedstawiono na rysunku 2.1.

(15)

Rys. 2.1. Schemat odpalania otworów przy drążeniu upadowej (opracowanie własne)

Najczęściej stosuje się odpalanie zapalnikami elektrycznymi o opóźnieniu półsekundo- wym. Roboty strzałowe prowadzi się na dużych głębokościach, stąd oddziaływania na zabu- dowania na powierzchni są sporadyczne i dotyczą robót w płytko położonych wyrobiskach.

Typowy sejsmogram drgań, wzbudzonych w czasie wykonywania robót strzałowych przy drążeniu upadowej, a zarejestrowanych w podłożu i fundamencie budynku na powierzchni, przedstawiono na rysunku 2.2. Z rysunku wynika, że drgania podłoża, w tym przypadku, cha- rakteryzują się wysokimi częstotliwościami, dzięki czemu tylko w niewielkim stopniu są przenoszone do fundamentu. Widać również, że odpalanie ładunków przeprowadzono z za- stosowaniem zapalników półsekundowych – drgania od poszczególnych stopni opóźnienia zapalników są wyraźnie rozdzielone.

16.11.2005 r.

stanowisko 5 i 6 048.787

0 2000 4000 6000

czas, ms -4.0

-2.0 0.0 2.0 4.0

prędkość drgań, mm/s ^podłoże fundament

Rys. 2.2. Sejsmogram drgań podłoża i fundamentu, zarejestrowanych przy drążeniu upadowej w ko- palni podziemnej – odpalanie półsekundowe (archiw. LRSiOŚ AGH)

Zdarza się, że technologia wykonywania robót przy drążeniu wyrobisk podziemnych lub

tuneli wymaga zastosowania zapalników milisekundowych. W takich przypadkach drgania

charakteryzują się niższymi częstotliwościami, a ich intensywność na powierzchni może być

bardziej odczuwana przez obiekty. (rys. 2.3).

(16)

0 200 400 600 800 1000 czas, ms

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

fundament 11.08.2005 r.

fundament budynku record 15258.654

Rys. 2.3. Sejsmogram drgań fundamentu budynku przy drążeniu upadowej w kopalni podziemnej – odpalanie milisekundowe (archiw. LRSiOŚ AGH)

Można przyjąć, że w przypadku kopalń podziemnych, większym problemem jest oddzia- ływanie drgań wzbudzanych wstrząsami górniczymi, czego najlepszym przykładem są: GZW i LGOM, gdzie kilka zespołów badawczych pracuje nad możliwością przewidywania wystą- pienia wstrząsów i ich energii oraz nad sposobami oceny oddziaływania na obiekty na po- wierzchni.

Na rysunku 2.4 przedstawiono przykładowy zapis wstrząsu w kopalni miedzi, zarejestro-

wany w budynku na powierzchni, wraz z analizą widmową FFT i analizą tercjową. Dla oceny

oddziaływania takich wstrząsów na obiekty zbudowano wspomniane już skale GSI, w których

wyraźnie podkreślono znaczenie energii drgań, przez wprowadzenie do oceny parametru cza-

su trwania drgań (szerzej skale GSI zostaną omówione w rozdziale 4.2).

(17)

0 2 4 6 8 10 czas, s

-8 -4 0 4 8

prędkość drgań, mm/s kopalnia miedzi 13.12.2007 godz. 16:50 record 15258.166

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Analiza FFT

Rys. 2.4. Rejestracja wstrząsu w kopalni miedzi, w dniu 13.12.2007 r. (archiw. LRSiOŚ AGH) 2.2.2. Roboty strzałowe w górnictwie odkrywkowym

Roboty strzałowe w górnictwie odkrywkowym charakteryzują się stosowaniem dużych mas MW do jednorazowego odpalania. Serie liczą od kilku do kilkudziesięciu, a nawet kilku- set ładunków umieszczonych w długich otworach. Roboty często prowadzone są w bezpo- średnim sąsiedztwie zabudowań mieszkalnych i innych obiektów budowlanych, stąd proble- matyka ograniczenia oddziaływania drgań ma zasadnicze znaczenie dla kopalń odkrywko- wych.

W zdecydowanej większości w górnictwie odkrywkowym ładunki MW odpala się milise- kundowo, z zastosowaniem systemów elektrycznych, nieelektrycznych lub elektronicznych.

Z wyborem systemu odpalania związany jest zakres stosowanych opóźnień międzystrzało-

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

1,26 1,58 2,00 2,51 3,16 3,98 5,01 6,31 7,94 10,00 12,59 15,85 19,95 25,12 31,62 39,81 50,12 63,10 79,43 100,00

częstotliwość, Hz

analiza tercjowa

(18)

wych: w systemie elektrycznym najczęściej 25 ms, w nieelektrycznym można stosować ko- nektory o opóźnieniach w typoszeregu od 17 do 285 ms, a w przypadku systemów elektro- nicznych - praktycznie dowolne opóźnienie w zakresie np. do 15 sekund, z dokładnością do 1 ms.

Rys. 2.5. Urobek po odpaleniu serii ładunków MW w kopalni wapienia (opracowanie własne) Rejestrowane drgania są w większości przypadków drganiami złożonymi, o skomplikowa- nej strukturze, wynikającej z nakładania się różnego typu fal sejsmicznych. Na ten obraz drgań nakłada się dodatkowo częstotliwość związana z opóźnieniami odpalania ładunków MW, co może prowadzić nawet do zjawiska rezonansu drgań, zarówno w podłożu, jak i w obiektach chronionych. Jest to przyczyną konieczności kontrolowania efektu sejsmiczne- go w przypadku wprowadzania istotnych zmian w sposobie wykonywania robót strzałowych.

Na rysunku 2.6 przedstawiono przykładowe zapisy drgań wzbudzanych robotami strzałowymi

w kopalniach odkrywkowych różnych surowców.

(19)

0 2000 4000 6000 8000 -2

-1 0 1 2

kopalnia wegla brunatnego

0 400 800 1200 1600 2000

-3 -2 -1 0 1 2 3

kopalnia granitu

0 400 800 1200 1600

-2 -1 0 1 2

podłoże fundament

kopalnia dolomitu

0 1000 2000 3000

-2 -1 0 1 2

kopalnia wapienia

0 1000 2000 3000 4000 5000

czas, ms -1

0 1

kopalnia bazaltu

0 4 8 12

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Analiza FFT

0 4 8 12 16 20 24 28

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

0 4 8 12 16 20 24 28

0 0.1 0.2 0.3

0 4 8 12 16 20 24

0 0.1 0.2 0.3 0.4

0 4 8 12 16 20 24 28

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Rys. 2.6. Przykładowe sejsmogramy drgań podłoża i fundamentów budynków, wzbudzanych robotami strzałowymi w kopalniach odkrywkowych (opracowanie własne)

Sejsmogramy te wskazują na istotne zróżnicowanie zarówno charakteru drgań, czasu ich trwania, jak i dominujących częstotliwości. Widać również, jak zróżnicowana może być reak- cja budynku na wymuszenia kinematyczne – drgania mogą być tłumione przy przejściu z pod- łoża do fundamentu, a mogą też nie ulegać większej modyfikacji. Przedstawione przykłady nie stanowią o zróżnicowaniu drgań dla poszczególnych surowców, gdyż bardzo duże zna- czenie mają również warunki lokalne w otoczeniu złoża.

Jak już wspomniano, roboty strzałowe w górnictwie odkrywkowym charakteryzują się sto-

sowaniem dużych mas MW, a ponadto możliwością doboru opóźnień milisekundowych

(20)

z szerokiego wachlarza dostępnych systemów odpalania. Zarówno jeden, jak i drugi czynnik, nie pozostaje bez wpływu na intensywność drgań wzbudzanych w czasie odpalania tak zróż- nicowanych serii ładunków. Na rysunku 2.7 przedstawiono sejsmogramy drgań zarejestrowa- nych w czasie odpalania w kopalni dolomitu serii o całkowitej masie MW: 2500 kg, 8600 kg i 11700 kg oraz na rysunku 2.8 sejsmogramy drgań przy zastosowaniu systemu elektronicz- nego i opóźnień 15 i 30 ms.

2 500 kg

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

podłoże fundament

0 1000 2000 3000

Czas, ms -4.0

-2.0 0.0 2.0 4.0

8 600 kg

11 400 kg

Rys. 2.7. Sejsmogramy drgań wzbudzanych w czasie odpalania serii o zróżnicowanej masie ładunków MW (opracowanie własne)

Sejsmogramy wskazują wyraźnie, że sterowanie charakterystyką źródła drgań przez zmia-

nę masy odpalanych serii, czy zmianę opóźnienia milisekundowego, może przynieść konkret-

ne korzyści, nawet w kierunku możliwości zwiększenia masy ładunków MW, bez wzrostu

intensywności drgań. Jednak warunkiem koniecznym jest przeprowadzenie kontroli efektu

sejsmicznego i umiejętny dobór parametrów strzelania. Z rysunku 2.8 wynika również ko-

nieczność prowadzenia pomiarów drgań w podłożu budynku i na jego fundamencie, gdyż

może się zdarzyć, że zmiana opóźnienia powoduje zmniejszenie intensywności drgań podło-

ża, co wcale nie musi następować na fundamencie – można spotkać się z efektem odwrotnym,

czyli zmiana charakterystyki częstotliwościowej drgań podłoża może powodować podwyż-

szenie intensywności drgań budynku.

(21)

-1 0 1

0 400 800 1200

czas, ms -1

0 1

podłoże fundament opóźnienie 30 ms

opóźnienie 15 ms

Rys. 2.8. Sejsmogramy drgań wzbudzanych w czasie odpalania serii ładunków z różnym opóźnieniem milisekundowym (opracowanie własne)

Dobrą ilustracją tego zjawiska jest wynik analizy widmowej drgań z rys. 2.8 przedstawiona na rys. 2.9 – zmiana częstotliwości dominujących podłoża i obniżenie intensywności przy zastosowaniu opóźnienia 15 ms spowodowała jednocześnie wzrost intensywności drgań fun- damentu.

0 20 40 60 80

0.04 0.08 0.12

0 20 40 60 80

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

30 ms 15 ms podłoże

fundament

Rys. 2.9. Analiza widmowa FFT drgań przedstawionych na rysunku 2.8 (opracowanie własne)

(22)

2.2.3. Roboty strzałowe w pracach makroniwelacyjnych

Roboty strzałowe w pracach niwelacyjnych, często prowadzonych w skali makro, swym charakterem zbliżone są do wykonywanych w górnictwie odkrywkowym. Aczkolwiek masy ładunków MW w tym przypadku są zdecydowanie mniejsze, to jednak ze względu na lokali- zację robót w pobliżu zabudowy mieszkalnej lub obiektów infrastruktury przemysłowej, nie- zbędna jest ochrona tych obiektów, poprzez stosowanie odpowiedniego sposobu prowadzenia robót strzałowych.

Ładunki odpalane są najczęściej systemem elektrycznym, z zastosowaniem zapalników półsekundowych lub milisekundowych. Przykładowe sejsmogramy drgań przedstawiono na rysunku 2.10. Pomiary wykonano w trasie rurociągu gazowego, odległego o ok. 50 m od miejsca wykonywania robót z użyciem MW.

0 1000 2000 3000 4000

-8 -4 0 4 8

0 200 400 600 800

czas, ms -6

-4 -2 0 2 4 6

podłoże odpalanie półsekundowe

odpalanie milisekundowe makroniwelacja

12.04.2010 r.

stanowisko - rurociąg gazu

Rys. 2.10. Sejsmogramy drgań wzbudzanych w czasie odpalania serii ładunków przy robotach makro- niwelacyjnych, w trasie nowobudowanej drogi (opracowanie własne)

Można zauważyć tendencję do stosowania w robotach niwelacyjnych zapalników półse-

kundowych, gdyż wykonawcy robót są przekonani, że rozdzielenie sygnału sejsmicznego od

każdego ładunku MW przynosi efekt w postaci minimalizacji oddziaływania wzbudzanych

drgań. Czasem przynosi to efekt, ale analizując zapisy drgań na rysunku 2.10 należy stwier-

dzić, że intensywność drgań przy odpalaniu milisekundowym jest niższa, a dodatkowo czas

oddziaływania pięciokrotnie krótszy. Stosowanie odpalania półsekundowego w przypadku

robót niwelacyjnych, czyli przy stosunkowo krótkich otworach i małych ładunkach MW, mo-

że prowadzić do pogorszenia warunków urabiania, co bardzo wyraźnie widać na niektórych

sejsmogramach, gdzie efekt sejsmiczny od poszczególnych ładunków różni się i to w sposób

zdecydowany (rys. 2.11). Świadczy to o bardzo zróżnicowanych warunkach pracy poszcze-

gólnych ładunków MW.

(23)

0 2000 4000 6000 8000 czas, ms

-12 -8 -4 0 4 8

podłoże odpalanie półsekundowe

makroniwelacja 17.04.2010 r.

stanowisko - rurociąg gazu

Rys. 2.11. Sejsmogram drgań wzbudzanych w czasie robót makroniwelacyjnych (opracowanie wła- sne)

2.2.4. Roboty strzałowe w pracach wyburzeniowych

Wyraźną odmiennością, od dotychczas omówionych zastosowań materiałów wybucho- wych, cechują się prace wyburzeniowe obiektów budowlanych. Odmienność ta to przede wszystkim oddziaływanie na obiekty w otoczeniu również upadku dużych mas. Samo użycie MW nie stanowi w większości przypadków bezpośredniego zagrożenia dla obiektów, w prze- ciwieństwie do skutków, w postaci uderzenia wyburzanego obiektu o podłoże.

Efekt oddziaływania robót wyburzeniowych można podzielić następująco:

1. Oddziaływanie detonacji MW w czasie prowadzenia robót wyburzeniowych, w postaci drgań przenoszonych przez podłoże,

2. Oddziaływanie detonacji MW w postaci powietrznej fali uderzeniowej w czasie prowadze- nia robót wyburzeniowych z zastosowaniem ładunków MW na lub nad powierzchnią tere- nu,

3. Oddziaływanie upadku dużych mas – wyburzanie kominów żelbetowych i obiektów poło- żonych na wysokich konstrukcjach.

4. Rozłożone w czasie oddziaływanie upadku wyburzanych obiektów – wyburzanie kaska- dowe, wyburzanie kominów ceglanych,

W przypadku wyburzania fundamentów zagłębionych w podłożu, występuje oddziaływa- nie detonacji MW na środowisko otaczające, w postaci drgań propagowanych w podłożu. Na rysunku 2.12 przedstawiono sejsmogramy drgań zarejestrowanych w czasie wykonywania robót wyburzeniowych z zastosowaniem zapalników półsekundowych i milisekundowych.

Podobnie jak w robotach makroniwelacyjnych, można zauważyć niewielką różnicę w inten- sywności drgań, ale przy zapalnikach półsekundowych czas oddziaływania jest czterokrotnie dłuższy.

Trudnym zagadnieniem jest określenie oddziaływania wyburzanych konstrukcji żelbeto-

wych lub stalowych z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych. W czasie detonacji wzbu-

dzana jest silna powietrzna fala uderzeniowa, która oddziałuje zarówno na obiekty w otocze-

niu jak i na sam miernik drgań. Zagadnienie to było przedmiotem badań [44], w wyniku któ-

rych stwierdzono, że oddziaływanie PFU na sam miernik drgań może być bardzo silne, dlate-

go zakłóca to wyniki pomiarów. Na rysunku 2.13 przedstawiono zapis wykonany przez mier-

nik drgań i mikrofon do pomiaru PFU, w czasie wyburzania zbiornika posadowionego na

konstrukcji żelbetowej – widać wyraźnie, że miernik drgań zarejestrował w pierwszej fazie

PFU, a nie drgania wzbudzone detonacją MW i propagowane w podłożu.

(24)

0 4000 8000 12000 16000 -4

-2 0 2 4

0 1000 2000 3000 4000

czas, ms -4

-2 0 2 4

fundament odpalanie półsekundowe

odpalanie milisekundowe

wyburzanie fundamentów 20.09.2000 r.

fundament budynku

Rys. 2.12. Sejsmogramy drgań wzbudzonych wyburzeniem fundamentów zagłębionych w podłożu (opracowanie własne)

0 1000 2000 3000 4000 5000

-4 -2 0 2 4

podłoże

0 1000 2000 3000 4000 5000

czas, ms -800

-400 0 400 800

ciśnienie pfu, Pa

mikrofon powietrzna fal uderzeniowa

wyburzanie konstrukcji 13.09.2008 r.

Rys. 2.13. Sejsmogram drgań i zapis ciśnienia PFU wzbudzonych wyburzeniem konstrukcji nad po- wierzchnią terenu, z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych (opracowanie własne)

Bardzo często, wykorzystując możliwości odpalania ładunków MW z opóźnieniem, obiek-

ty budowlane o dużej kubaturze, wyburza się kaskadowo, czyli wyburzenie przebiega sukce-

sywnie, a nie przez równoczesne podcięcie. Pozwala to na osłabienie efektu upadku dużej

masy na podłoże (rys. 2.14) Zapis drgań wskazuje na wydłużony czas oddziaływania upada-

jących kolejnych fragmentów obiektu. W tym przypadku również na budynek oddziałują

drgania propagowane przez podłoże.

(25)

0 2000 4000 6000 8000 10000 czas, ms

-4 -2 0 2 4

fundament budynku wyburzenie kaskadowe budynku 28.02.2007 r.

Rys. 2.14. Sejsmogram drgań wzbudzonych kaskadowym wyburzeniem budynku przemysłowego (opracowanie własne)

Klasycznym przykładem oddziaływania robót wyburzeniowych na obiekty w otoczeniu jest wyburzanie kominów żelbetowych przez powalanie kierunkowe (rys. 2.15). Uzyskuje się to przez podcięcie konstrukcji za pomocą ładunków MW.

0 4000 8000 12000 16000

-20 -10 0 10 20

0 4000 8000 12000 16000

czas, ms -400

-200 0 200 400

ciśnienie pfu, Pa

powietrzna fala uderzeniowa wyburzenie komina żelbetowego 18.04.2009 r.

Rys. 2.15. Sejsmogram drgań i zapis ciśnienia PFU wzbudzonych wyburzeniem komina żelbetowego (opracowanie własne)

W tym przypadku również sama detonacja MW nie ma większego znaczenia dla procesu oddziaływania, natomiast decydujące znaczenie ma energia uderzenia dużej masy o podłoże.

Jak skomplikowanym zjawiskiem jest upadek masy świadczy pojawiająca się na zapisie PFU,

wzbudzana nie tylko detonacją MW, ale również upadkiem mas. Jak widać z rysunku 2.15,

o intensywności oddziaływania decyduje druga faza, czyli upadek mas.

(26)

3. Wyznaczanie dopuszczalnych ładunków MW do robót strzałowych

Ładunki o największej masie odpalane są w górnictwie odkrywkowym, podczas urabiania złóż ładunkami MW odpalanymi w długich otworach. Energia detonacji ładunków MW tylko w 20 do 30 procentach jest wykorzystana na urabianie [36]. Pozostała jej część skutkuje po- wstaniem rozrzutu odłamków skalnych, powietrznych fal uderzeniowych oraz fal parasej- smicznych. Zwłaszcza te ostatnie sprawiają dużo problemów, ponieważ drgania podłoża mo- gą niekorzystnie oddziaływać na różne obiekty znajdujące się w sąsiedztwie kopalń. W takim przypadku wyznaczenie dopuszczalnych ładunków do robót strzałowych, bezpiecznych dla obiektów chronionych, ma zasadnicze znaczenie.

Postęp techniczny i nowoczesne środki strzałowe sprzyjają tendencji do powiększania ła- dunków odpalanych jednorazowo w otworze i w serii. Niekontrolowane stosowanie zbyt du- żych ładunków może być jednak przyczyną szkodliwego oddziaływania na obiekty w otocze- niu.

Określenie warunków bezpiecznego prowadzenia robót strzałowych, uwzględniających warunki lokalne kopalni i otoczenia, jest zagadnieniem bardzo trudnym, ze względu na liczbę czynników mających wpływ na podejmowane decyzje.

Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na fakt, że w przypadku oddziaływania na obiekty drgań wzbudzanych w czasie robót strzałowych, istnieje możliwość sterowania źródłem drgań, czyli można określić jakie warunki powinna spełnić przyczyna, by skutki były przewi- dywalne i nieprzekraczające przyjętych założeń. W tym właśnie należy upatrywać dróg do właściwej działalności profilaktycznej, której efektem jest bezpieczne dla otoczenia prowa- dzenie robót eksploatacyjnych, dodatkowo udokumentowane bieżącą kontrolą oddziaływania.

Prowadzona przez kopalnie odkrywkowe działalność profilaktyczna w tym zakresie obej- muje (rys. 3.1):

inwentaryzację stanu technicznego obiektów w otoczeniu,

rozpoznanie kierunków propagacji drgań i stopnia ich intensywności w otoczeniu wyrobi- ska górniczego, na podstawie których wyznacza się zasięg szkodliwego oddziaływania drgań i dopuszczalne ładunki MW,

prowadzenie cyklicznych pomiarów kontrolnych,

w szczególnych przypadkach monitorowanie drgań w chronionych obiektach.

(27)

Rys. 3.1. Działalność profilaktyczna kopalń odkrywkowych w zakresie oddziaływania robót strzało- wych na otoczenie [3] [4]

Dwa ostatnie z wymienionych powyżej punktów są niejednokrotnie wymieniane przez rze- czoznawców jako zalecane do realizacji, a w ostatnim okresie czasu wymagane również przez organy udzielające koncesji, jako warunkujące jej uzyskanie. Są to działania wynikające z Prawa ochrony środowiska i znajdują zastosowanie w stosunku do przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko. Do takich należy zaliczyć większość zakładów górni- czych wydobywających kopalinę z zastosowaniem MW.

Bardzo ważnym elementem wymienionych powyżej działań, jest wyznaczenie warunków bezpiecznego dla otoczenia wykonywania robót strzałowych. Procedury związane z wyzna- czeniem dopuszczalnych ładunków MW przewidują [68]:

- pomiary intensywności drgań w otoczeniu robót strzałowych i na ich podstawie wyznacze- nie równań propagacji drgań w podłożu,

- rozpoznanie mechanizmu przenoszenia drgań z podłoża do budynku - interakcji układu budynek-podłoże,

- przyjęcie parametrów krytycznych drgań, zapewniających bezpieczeństwo obiektom chro- nionym (ocena stopnia oddziaływania drgań na obiekty),

- wyznaczenie dopuszczalnych ładunków MW dla warunków lokalnych złoża i otoczenia.

Wydawać by się mogło, że problematyka wyznaczenia równań propagacji sprowadza się do określenia zależności intensywności drgań od masy ładunku MW i odległości do punktu pomiarowego. Wszystko jest proste, gdy budowa geologiczna złoża i jego otoczenia jest w miarę jednolita, gdy zabudowania w otoczeniu wyrobiska są zlokalizowane w jednym kie- runku oraz gdy wyznaczone ładunki mogą być stosowane w konkretnych warunkach techno- logicznych. Są to warunki bardzo sprzyjające i zdarzają się rzadko, aczkolwiek nie można ich wykluczyć. Niestety, w większości przypadków należy liczyć się z o wiele trudniejszymi wa- runkami lokalnymi.

Na intensywność drgań mają wpływ następujące czynniki:

- budowa geologiczna w miejscu prowadzonych robót strzałowych i na drodze przechodze- nia fal sprężystych,

- budowa podłoża pod ochranianymi budynkami,

- rodzaj i charakterystyka materiału wybuchowego oraz konstrukcja ładunku w otworze [1],

(28)

- parametry geometryczne siatki otworów strzałowych (długość otworów, zabiór, odległość między otworami i szeregami, przewiert, średnica otworów strzałowych),

- wielkość ładunków MW: w serii otworów Q

c

, przypadającego na pojedyncze opóźnienie międzystrzałowe Q

z

oraz ładunku otworu Q

1

,

- kolejność odpalania ładunków MW oraz wielkość stosowanego opóźnienia międzystrza- łowego.

- odległość punktu pomiarowego od źródła drgań.

Liczba czynników jest znacząca, co stwarza określone trudności i poszerza zakres koniecz- nych do wykonania prac badawczych. W niniejszej pracy, z uwagi na obszerność problema- tyki, skupiono się na zweryfikowaniu możliwości wykorzystania metody MP do analizy reje- strowanych drgań, wzbudzanych przede wszystkim robotami strzałowymi. Zwrócenie uwagi na mnogość czynników wpływających na intensywność drgań było istotne jedynie dla wyka- zania, że zastosowana metoda analizy pozwala na uzyskanie informacji, których nie można otrzymać posługując się dotychczas stosowanymi metodami analizy i oceny.

Wyjściowym elementem analizy jest określenie propagacji drgań w podłożu i dlatego ba- dania propagacji drgań parasejsmicznych wzbudzanych robotami strzałowymi, z użyciem dużych mas MW, nabierają szczególnego znaczenia. Jest to spowodowane faktem, iż inten- sywność fal parasejsmicznych, w danym punkcie odbioru, w dużym stopniu zależy od masy zastosowanego ładunku Q oraz odległości od źródła fal r. Na podstawie szeregu pomiarów wyznacza się zwykle nieznane parametry równania propagacji, wyrażające zmiany wielkości drgań przy różnych Q i r. Intensywność drgań określają amplitudy przemieszczeń, prędkości lub przyspieszeń. Wzory propagacyjne pozwalają obliczać intensywność drgań przy danych r i Q lub masę ładunku MW przy danej odległości i przyjętej dopuszczalnej intensywności drgań. Oczywiście, nieznane współczynniki powinny być wyznaczone doświadczalnie w da- nych warunkach geologicznych i górniczych.